Molekulare Einblicke in Wassergas-Shift an NiZrOx/GR

Wasserstoff kann über die sogenannte Wasser-Gas-Shift Reaktion produziert werden, welche CO und H2O verbraucht, um CO2 und H2 zu erzeugen. In der Industrie werden zwei Verfahren unterschieden: Ein Hochtemperaturshift mit Fe-Cr Oxid bei 350-500 C, sowie ein Niedrigtemperaturshift bei 180-250 C, welcher Cu-ZnO basierte Katalysatoren benötigt. Der Chrom-basierte Katalysator ist problematisch, da Chrom einerseits giftig und andererseits krebserregend ist. Der Kupfer-basierte Katalysator reagiert jedoch empfindlich auf Sauerstoff und Kondenswasser. Daher suchen Wissenschaftler eifrig nach alternativen Katalysatoren, besonders unter den Übergangsmetallnanopartikeln die auf oxidischen Trägern genutzt werden könnten. Im Allgemeinen adsorbiert das CO auf dem Metallteilchen, während Wasser, H2O, auf dem oxidischen Träger aktiviert wird, bzw. in OH* zersetzt wird.Traditionell werden zwei verschiedene Mechanismen diskutiert. Der sogenannte assoziative Mechanismus, bei dem CO* und OH* reagieren, was wahrscheinlich an der Metall/Oxidgrenzfläche passiert. Hierbei können Carboxylate (COOH*), Formiate (HCOO*) und/oder Carbonate (CO3*) gebildet werden, welche entweder als Intermediate oder inerte Spezies fungieren. Die Zersetzung von Carboxylat (COOH*) oder Formiat (HCOO*) bildet schließlich die Produkte CO2 und H2. Dies ist stark verschieden vom Redoxmechanismus, in dem CO direkt mit einem Sauerstoff des Oxides reagiert und direkt ein CO2 bildet. Die Fehlstelle, wo der Sauerstoff saß, aktiviert daraufhin das Wasser, H2O, dissoziiert und lässt den Wasserstoff, H2, frei. Das Hauptziel dieses Projektes ist es, einen neuartigen Katalysator basierend auf bimetallischen NiZrOx Nanoteilchen zu präparieren und zu charakterisieren. Die Ni Partikel werden auf einer Graphenschicht verankert, welche durch Gasphasenabscheidung auf einer Ir(111) Schicht im Ultrahochvakuum aufgebracht wird. Dieser Katalysator hat die Oxidfunktionalität gleich in die Nanopartikel eingebaut. Die Oberflächenstruktur und Zusammensetzung wird durch mehrere Verfahren bestimmt: low energy electron diffraction (LEED), Auger Elektronen Spektroskopie (AES), Röntgen Photoelektronen Spektroskopie (XPS), Oberflächen Röntgenbeugung (SXRD) und Rastertunnelmikroskopie (STM). Die katalytische Aktivität, Adsorption der Ausgangsstoffe, sowie deren Koadsorption wird mit Hilfe von Summenfrequenz-Erzeugung (SFG) Laserspektroskopie und Massenspektroskopie gemessen. Mit Hilfe von SFG kann nun der Adsorptionsplatz, z.B. ein-, zwei-, oder dreifach koordiniert, sowie die Orientierung der adsorbierten Moleküle auf der Oberfläche bestimmt werden, was in Kombination mit einer rechnergestützten Modellierung dieser Oberflächenspezies Rückschlüsse auf den Mechanismus erlaubt.